Kasvunsäätelyaineet (PGR)ovat kustannustehokas tapa parantaa kasvien puolustuskykyä stressitilanteissa. Tässä tutkimuksessa tutkittiin kahden kykyäPGR:t, tioureaa (TU) ja arginiinia (Arg) vehnän suolastressin lievittämiseksi. Tulokset osoittivat, että TU ja Arg, erityisesti yhdessä käytettynä, pystyivät säätelemään kasvien kasvua suolastressin aikana. Niiden käsittelyt lisäsivät merkittävästi antioksidanttientsyymien aktiivisuutta samalla kun ne vähensivät reaktiivisten happilajien (ROS), malondialdehydin (MDA) ja suhteellisen elektrolyyttivuodon (REL) tasoja vehnän taimissa. Lisäksi nämä käsittelyt laskivat merkittävästi Na+- ja Ca2+-pitoisuuksia sekä Na+/K+-suhdetta ja samalla lisäsivät merkittävästi K+-pitoisuutta, mikä ylläpiti ioni-osmoottista tasapainoa. Vielä tärkeämpää on, että TU ja Arg lisäsivät merkittävästi vehnän taimien klorofyllipitoisuutta, nettofotosynteesinopeutta ja kaasunvaihtonopeutta suolastressin aikana. TU ja Arg yksinään tai yhdessä käytettynä saattoivat lisätä kuiva-aineen kertymistä 9,03–47,45 %, ja kasvu oli suurin, kun niitä käytettiin yhdessä. Yhteenvetona voidaan todeta, että tämä tutkimus korostaa, että redox-homeostaasin ja ionitasapainon ylläpitäminen on tärkeää kasvien suolastressin sietokyvyn parantamiseksi. Lisäksi TU:ta ja Argia suositeltiin mahdollisiksikasvien kasvunsäätelijät,erityisesti yhdessä käytettynä vehnän sadon parantamiseksi.
Ilmaston ja maatalouskäytäntöjen nopeat muutokset lisäävät maatalouden ekosysteemien heikkenemistä1. Yksi vakavimmista seurauksista on maaperän suolaantuminen, joka uhkaa maailmanlaajuista ruokaturvaa2. Suolaantuminen vaikuttaa tällä hetkellä noin 20 prosenttiin maailmanlaajuisesti viljelykelpoisesta maasta, ja tämä luku voi nousta 50 prosenttiin vuoteen 2050 mennessä3. Suola-emässtressi voi aiheuttaa osmoottista stressiä viljelykasvien juurissa, mikä häiritsee kasvin ionitasapainoa4. Tällaiset haitalliset olosuhteet voivat myös johtaa klorofyllin hajoamisen kiihtymiseen, fotosynteesin hidastumiseen ja aineenvaihduntahäiriöihin, mikä lopulta johtaa kasvien satojen vähenemiseen5,6. Lisäksi yleinen vakava vaikutus on reaktiivisten happilajien (ROS) lisääntynyt muodostuminen, joka voi aiheuttaa oksidatiivisia vaurioita useille biomolekyyleille, mukaan lukien DNA, proteiinit ja lipidit7.
Vehnä (Triticum aestivum) on yksi maailman tärkeimmistä viljakasveista. Se ei ole ainoastaan laajimmin viljelty viljakasvi, vaan myös tärkeä kaupallinen viljelykasvi8. Vehnä on kuitenkin herkkä suolalle, joka voi estää sen kasvua, häiritä sen fysiologisia ja biokemiallisia prosesseja ja vähentää merkittävästi sen satoa. Tärkeimmät strategiat suolastressin vaikutusten lieventämiseksi ovat geenimuuntelu ja kasvien kasvunsäätelyaineiden käyttö. Geneettisesti muunnetut organismit (GM) ovat geenimuokkauksen ja muiden tekniikoiden käyttöä suolaa sietävien vehnälajikkeiden kehittämiseksi9,10. Toisaalta kasvien kasvunsäätelyaineet parantavat vehnän suolansietokykyä säätelemällä fysiologisia toimintoja ja suolaan liittyvien aineiden pitoisuuksia, mikä lieventää stressivaurioita11. Nämä säätelyaineet ovat yleensä hyväksytympiä ja laajemmin käytettyjä kuin transgeeniset lähestymistavat. Ne voivat parantaa kasvien sietokykyä erilaisille abioottisille stressitekijöille, kuten suolapitoisuudelle, kuivuudelle ja raskasmetalleille, ja edistää siementen itämistä, ravinteiden ottoa ja lisääntymiskasvua, mikä lisää sadon saantoa ja laatua.12 Kasvunsäätelyaineet ovat ratkaisevan tärkeitä sadon kasvun varmistamiseksi ja sadon ja laadun ylläpitämiseksi niiden ympäristöystävällisyyden, helppokäyttöisyyden, kustannustehokkuuden ja käytännöllisyyden vuoksi. 13 Koska näillä säätelijöillä on kuitenkin samankaltaiset vaikutusmekanismit, yhden niistä käyttö yksinään ei välttämättä ole tehokasta. Kasvunsäätelyaineiden yhdistelmän löytäminen, joka voi parantaa vehnän suolansietokykyä, on ratkaisevan tärkeää vehnän jalostukselle epäsuotuisissa olosuhteissa, satojen lisäämiseksi ja ruokaturvan varmistamiseksi.
TU:n ja Arg:n yhdistelmäkäyttöä ei ole tutkittu. On epäselvää, voiko tämä innovatiivinen yhdistelmä edistää synergistisesti vehnän kasvua suolastressin alaisena. Siksi tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, voivatko nämä kaksi kasvunsäätelyainetta synergistisesti lievittää suolastressin haitallisia vaikutuksia vehnään. Tätä varten teimme lyhytaikaisen vesiviljelykokeen vehnän taimilla tutkiaksemme TU:n ja Arg:n yhdistelmäkäytön hyötyjä suolastressin alaisena olevalle vehnälle keskittyen kasvien redox- ja ionitasapainoon. Oletimme, että TU:n ja Arg:n yhdistelmä voisi toimia synergistisesti vähentäen suolastressin aiheuttamia oksidatiivisia vaurioita ja hallitakseen ioni-epätasapainoa, mikä parantaisi vehnän suolansietokykyä.
Näytteiden MDA-pitoisuus määritettiin tiobarbituurihappomenetelmällä. Punnitse tarkasti 0,1 g tuoretta näytejauhetta, uute 1 ml:lla 10-prosenttista trikloorietikkahappoa 10 minuutin ajan, sentriföi 10 000 g:llä 20 minuutin ajan ja kerää supernatantti. Uute sekoitettiin yhtä suureen tilavuuteen 0,75-prosenttista tiobarbituurihappoa ja inkuboitiin 100 °C:ssa 15 minuutin ajan. Inkuboinnin jälkeen supernatantti kerättiin sentrifugoimalla ja mitattiin OD-arvot 450 nm:ssä, 532 nm:ssä ja 600 nm:ssä. MDA-pitoisuus laskettiin seuraavasti:
Samoin kuin 3 päivän käsittelyssä, Arg:n ja Tu:n käyttö lisäsi merkittävästi vehnän taimien antioksidanttientsyymien aktiivisuuksia 6 päivän käsittelyssä. TU:n ja Argin yhdistelmä oli edelleen tehokkain. Kuitenkin 6 päivää käsittelyn jälkeen neljän antioksidanttientsyymin aktiivisuudet eri käsittelyolosuhteissa osoittivat laskevaa trendiä verrattuna 3 päivään käsittelyn jälkeen (kuva 6).
Fotosynteesi on kasvien kuiva-aineen kertymisen perusta ja sitä tapahtuu viherhiukkasissa, jotka ovat erittäin herkkiä suolalle. Suolastressi voi johtaa solukalvon hapettumiseen, solujen osmoottisen tasapainon häiriintymiseen, viherhiukkasten ultrastruktuurin vaurioitumiseen36, aiheuttaa klorofyllin hajoamista, vähentää Calvin-syklin entsyymien (mukaan lukien Rubisco) aktiivisuutta ja vähentää elektronin siirtymistä PS II:sta PS I:hen37. Lisäksi suolastressi voi aiheuttaa ilmarakojen sulkeutumisen, mikä vähentää lehtien CO2-pitoisuutta ja estää fotosynteesiä38. Tuloksemme vahvistivat aiempia havaintoja, joiden mukaan suolastressi vähentää ilmarakojen konduktanssia vehnässä, mikä johtaa lehtien haihduntanopeuden ja solunsisäisen CO2-pitoisuuden laskuun, mikä lopulta johtaa fotosynteesikapasiteetin laskuun ja vehnän biomassan vähenemiseen (kuvat 1 ja 3). Erityisesti TU:n ja Arg:n käyttö voi parantaa vehnäkasvien fotosynteesitehokkuutta suolastressin alaisuudessa. Fotosynteesitehokkuuden paraneminen oli erityisen merkittävää, kun TU:ta ja Arg:ia käytettiin samanaikaisesti (kuva 3). Tämä voi johtua siitä, että TU ja Arg säätelevät ilmarakojen avautumista ja sulkeutumista, mikä parantaa fotosynteesitehokkuutta, mitä aiemmat tutkimukset tukevat. Esimerkiksi Bencarti ym. havaitsivat, että suolastressin aikana TU lisäsi merkittävästi ilmarakojen konduktanssia, CO2:n assimilaationopeutta ja PSII-fotokemian maksimaalista kvanttitehokkuutta Atriplex portulacoides L.39:ssä. Vaikka ei ole olemassa suoria raportteja, jotka osoittaisivat, että Arg voi säädellä ilmarakojen avautumista ja sulkeutumista suolastressille altistuneissa kasveissa, Silveira ym. osoittivat, että Arg voi edistää kaasujen vaihtoa lehdissä kuivuusolosuhteissa22.
Yhteenvetona voidaan todeta, että tässä tutkimuksessa korostetaan, että erilaisista vaikutusmekanismeistaan ja fysikaalis-kemiallisista ominaisuuksistaan huolimatta TU ja Arg voivat tarjota vertailukelpoisen vastustuskyvyn NaCl-stressille vehnän taimissa, erityisesti yhdessä käytettynä. TU:n ja Argin käyttö voi aktivoida vehnän taimien antioksidanttientsyymipuolustusjärjestelmän, vähentää ROS-pitoisuutta ja ylläpitää kalvolipidien vakautta, mikä ylläpitää fotosynteesiä ja Na+/K+-tasapainoa taimissa. Tällä tutkimuksella on kuitenkin myös rajoituksia; vaikka TU:n ja Argin synergistinen vaikutus vahvistettiin ja sen fysiologinen mekanismi selitettiin jossain määrin, monimutkaisempi molekyylimekanismi on edelleen epäselvä. Siksi TU:n ja Argin synergistisen mekanismin lisätutkimukset transkriptoomisia, metabolomisia ja muita menetelmiä käyttäen ovat tarpeen.
Tässä tutkimuksessa käytetyt ja/tai analysoidut aineistot ovat saatavilla vastaavalta kirjoittajalta kohtuullisesta pyynnöstä.
Julkaisun aika: 19. toukokuuta 2025